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从电联网走向光联网

2/14/2005来源:光纤通信人气:7588

从电联网走向光联网
一、前 言

光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。近几年来,随着技术的进步,电信管制体制的改革以及电信市场的逐步全面开放,特别是ip的爆炸式发展所带来的对带宽的巨大需求,光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面,其发展速度不仅超过了由摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度,而且也超过了数据业务的增长速度,成为近几年来发展最快的技术。本文旨在对世纪之交的光网络技术的发展作一简要介绍和展望。

二、SDH电联网的特点

目前,全球信息基础设施主要是由同步数字体系(SDH)支撑的,而所谓SDH是由一些SDH网元组成的,在光纤或无线上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络,作为一种电层联网体制,SDH传送网的主要特点如下:

(1)使欧洲、北美和日本三大传统地区性标准在STM-1等级以上获得统一,第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。

(2)采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构。因而只需利用软件即可使高速信号一次直接分插出低速支路信号。省去了全套背靠背的复用设备,网络结构得以简化,使上下业务十分容易。利用同步分插能力还可以实现自愈环结构,改进网络的生存性。

(3)SDH帧结构中安排了丰富的开销比特,因而使网络的OAM能力(诸如故障检测、区段定位、端到端性能监视等)大大加强。此外,通过嵌入的控制通路可以使部分网络管理能力分配(即软件下载)到网元,实现分布式管理和单端维护,减少了物理链路和安装运行成本,还使新特性和新功能的开发变得比较容易。

(4)由于将标准光接口综合进各种不同的网元,减少了将传输和复用分开的需要,从而简化了硬件,缓解了布线拥挤。此外,有了标准光接口信号和通信协议后,使光接口成为开放型接口,还可在基本光缆段上实现横向兼容,满足多厂家产品环境要求,使网络成本节约10%~20%。

(5)SDH网具有信息净负荷的透明性。一旦净负荷装入虚容器后,网络内部所有设备只需处理虚容器即可,从而减少了管理实体数量,简化了网络管理。

(6)SDH网可以兼容以前的准同步数字体系的各种速率。还能容纳各种新的业务信号,例如异步传递模式(ATM)信元以及火爆的因特网业务(TCP/IP)信号。简言之,SDH网具有较好的后向兼容性和前向兼容性。

三、SDH的发展与历史命运

SDH传输体制是一种新型的完整严密的传送网技术体制,这种技术体制一诞生就获得了广泛的支持,我国从1995年就在干线网上开始全面转向SDH体制,目前已建成世界第一大SDH网络,干线网上大约90%的业务量已由SDH系统所携带。但是SDH的高可靠性尚未充分发掘。我国省际干线主要是点到点线路系统,尚未敷设联网节点DXC,构成自愈网。SDH环网也刚刚开始建设。SDH网的建设和完善仍然是一项不可忽视的重要任务。

除了核心网的应用以外,目前的市场、带宽需求和技术都已显示有必要把 SDH技术带入接入网领域,使SDH的功能和接口尽可能靠近用户。在接入网中应用SDH的主要优势在于:对于要求高可靠高质量业务的大企事业用户,SDH可以提供理想的网络性能和业务可靠性;可以增加传输带
宽,改进网管能力,简化维护工作,降低运行维护成本;SDH的固有灵活性使网络运营者可以更快更有效地提供用户所需的业务需求以及组网需要。特别是对于发展极其迅速的蜂窝通信系统采用SDH系统尤其适合,它可以迅速灵活地提供所需的2Mbit/s透明通道。近来,接入网领域传输体制也开始呈现向SDH的汇聚趋势。

另一方面必须看到,随着数据业务逐渐成为全网的主要业务,传统的电路交换网将逐渐向分组网特别是IP网演进。作为支持电路交换方式的SDH TDM结构将越来越不适应未来业务的发展,独立的SDH设备的长远命运正受到严重的挑战。然而这种挑战在中国这样的特定环境下将是长远性的,SDH在中近期仍将继续发展。主要理由可以总结如下:

(1)考虑我国的电路交换网在5年左右的时间内仍将继续发展;

(2)SDH本身具有高低端的发展潜力(高于40G,低于155M);

(3)未来的超大容量的核心光传送网需要更多的SDH接入设备;

(4)近期仍然是可靠性和生存性最高的传送网技术;

(5)SDH的级联功能增强了支持ATM/IP能力;

(6)SDH正在融合路由功能,支持以太网传输。

随着IP逐渐成为网上的主导业务,作为电路交换方式的SDH层的功能逐渐成为多余,其市场将逐渐缩小,并将逐渐退出核心骨干网,转移到网络边缘,独立的SDH设备将减少,其功能将逐渐融合到光传送网(OTN)中去。

四、新时期的挑战和容量压力

近几年来,电信界正面临着一场百年未遇的巨变,开放市场、引入竞争的进度明显加快,电信管制体制改革的力度明显加大。特别是近年来,以因特网为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的电信概念和体系,其迅猛发展的速度是人类历史上所有工业中最快的。目前,北美骨干网上的业务量已达到了约6~9个月左右就翻一番的地步,比著名的CPU性能进展的摩尔定律(约18个月左右就翻一番)还要快2~3倍,而且迄今没有减缓的迹象。要不了多少年,全球的因特网业务将超过话音业务。100年来始终占据绝对主导地位的话音业务将最终让位给数据业务。

从我国的具体国情分析,预计今后5~10年网上的数据业务量也将可能会超过话音业务量,传统电话网将不可避免要过渡到以数据业务特别是IP业务为中心的融合的下一代电信网,这可能是百年来电信网所将经历的最大的变化,对电信业的各个方面都将产生难以估量的深远影响。

新时期挑战的一个重要方面是容量压力。近10年来,全世界电话用户的平均年增长率为6%左右。然而,数据业务的平均年增长率高达25%~40%,远高于电话业务,特别是IP业务正呈现爆炸式增长态势。其次,从核心网角度看,由于网络高生存性要求,以DXC选路和自愈环为基础的自愈网分别需要多消耗30%~60%和100%的额外网络容量,使容量需求大大增加。从接入网看,由于一系列宽带接入技术的应用,例如电缆调制解调器和ADSL等,使接入速率增加了数十至数百倍,导致核心骨干网上的业务流量大大增加。再有,在网络业务组成中将占主导地位的IP业务量的分布模式将使未来的网络业务量分布大幅度向核心网转移,进一步加剧了骨干网容量需求的压力。而且,IP业务量的高度不确定性使不同路由的负荷会随时发生变化,造成网络资源利用的高度不平衡。此外,在日益开放竞争的环境下,带宽租用业务正成为大运营公司增长最快的业务之一,不少公司网络的出租带宽已大于自用带宽,形成额外的容量需求。最后,在未来骨干网上用带宽换服务质量的轻载网络策略随着网络IP业务量份额的日益扩大和带宽成本的迅速降低正赢得越来越多的支持,那将需要更大更宽松的网络带宽。

综上所述,预计未来10年骨干网所需的容量将至少是今天的数十倍,容量问题将成为21世纪网络的最大挑战,超大容量将成为下一代网络的基本特征,解决网络容量问题将是开发下一代网络的中心。

五、发展下一代电信网是历史的必然

迄今为止,电信网主要是以支持话音业务为主的电路交换网为主体的。尽管传统的电路交换技术有其不可磨灭的历史功勋和内在的高质量严管理优势,在可以预见的未来也仍将是提供实时电话业务的基本技术手段,但其基本设计思想是以恒定的对称的话路量为中心的,采用了复杂的分等级的时分复用方法,语声编码和交换速率为64kbit/s。对于未来以突发性数据为主的业务而言,效率较低,传输成本和交换成本较高,网络资源浪费以及必须采用复杂的信令,计费和网管。当数据业务量不大时,这种状态还可以容忍。而当网络的业务量以数据为主时,这种低效率状态将变得不可容忍,建设新的对数据业务最佳的新一代网络将势在必行。各大公司都在设计构思未来网络的蓝图,诸如可持续发展的网络(CUN),一体化网(UN),,下一代网络(NGN)和新的公众网(NPN)等。但其基本思路都是共同的,即具有统一的IP通信协议和巨大的传输容量,能以最经济的成本灵活可靠持续地支持一切已有和将有的业务和信号。总的看,分组化网有着传统电路交换网所难以具备的优势,诸如无复杂的时分复用结构,有信息才占用网络资源,资源利用效率高,信令、计费和网管简单,建设维护运行成本低,连接效率高,可一次同时建立大量的连接,还可适应非对称的突发数据业务传输。显然,随着网络中数据业务量成为主导后,从传统的电路交换技术逐步转向以数据特别是IP为基础的整个电信新框架将是历史的必然。这种形势的变化将首先对下一代的电信骨干网产生巨大而深远的影响。

需要指出,尽管目前这一代的电信网无法适应下一代电信网的要求,同样,目前这一代的IP网也无法适应下一代电信网的要求。其网络体系结构缺乏内置的扩展性,网络可靠性和可用性很差(可用性仅25%),无法满足电信级网络的起码要求,实时业务质量还无法确保,靠线路卡互联路由器节点的方式消耗掉大量端口,目前的IP只考虑了用户平面功能和带内信令,将来必须扩展到控制平面和管理平面如此等等。因而下一代网将是充分利用现有电信网和IP网各自资源和优势,克服各自劣势的融合的网络。

六、IP业务对传送网结构的影响

当网络的IP业务越来越大时,对底层的传送网结构将会产生重大的影响。对传送网结构可能产生影响的IP业务量的主要特征有:

(1)业务量向骨干网的转移:传统的业务量主要集中在本地网,而IP业务量的分布模式将使未来的网络业务量分布从本地转移到骨干网,进一步加剧了骨干网容量需求的压力。

(2)在多数互联网链路上收发通道间存在收发数据的严重不对称性。

(3)网络IP业务量大小的不可预测性。传统电话和专线的业务量是相对稳定的,其年增长率可以预测,因而网络规划和扩容比较容易。而IP业务量大小却无法预测。

(4)网络IP业务量变动的不可预测性。网络IP业务量由于各种原因会在网络的不同部分发生转移,造成网络资源利用的不平衡乃至发生某些路由的容量瓶颈。

(5)IP业务量的多跳性,典型IP网络的业务量在其出入口之间经过的节点数比传统电话网多3倍,节点数的增加导致延时增加和吞吐量的减少。

面对如此巨大、多变、不对称、突变性的IP业务量,传统的以恒定的对称的话路量为中心,以复杂的分级的时分复用方法为基础,面向电路交换方式的SDH电传送网已难以有效应付这一局面,需要探讨新的更有效的网络体系结构。目前只有光传送网(即光层联网)才可能承担这样的重任,而具体最佳的网络拓扑也需要重新探讨,点到点超长跨距的光1+1结构很可能成为未来长途网中一种很有希望的可选网络结构。

七、从电联网走向光联网

从技术上看,光传输链路的容量主要有两条扩容路线,一条是按时分复用(TDM)方式扩容,另一条是按波分复用(WDM)方式扩容。目前10Gbit/s系统已开始大批量装备网络,不少电信公司实验室已开发出40Gbit/s的系统。但是单路波长的传输速率是有上限的,主要受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子迁移率。其次还受限于传输媒质的色散和极化模色散。最后还受限于所开发系统的性能价格比是否有商用经济价值。因而现实的进一步扩容出路是转向WDM方式。目前靠WDM技术已能使商用系统的容量扩大到400Gbit/s,实验室已达3.28Tbit/s,基本实现了传输链路容量的突破。

但是普通点到点WDM系统只提供了原始的传输带宽,需要有灵活的网络节点才能实现高效的灵活组网能力。现有的电DXC系统十分复杂,其系统开发和改进的速度要慢于半导体芯片性能改进的摩尔定律(每18个月翻番),其节点容量大约为每2年翻番,显然从发展看是无法跟上网络传输链路容量每9个月翻番的增长速度的。于是业界的注意力开始转向光节点,即光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC),靠光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题,其带宽颗粒从STM-1增加到一个波长,即增加了16倍(2.5Gbit/s)到48倍(10Gbit/s)。同样,1000个端口的节点容量可以从155Gbit/s增加到2.5~10Tbit/s。

总的看,实现光层传送联网的基本目的是:

(1)消除电设备导致的带宽瓶颈。目前电联网的链路容量受限于单个电中继器的传输容量,不超过40Gbit/s。而电联网的节点SDXC的吞吐量大约仅160Gbit/s,其容量增长的速度大约为每2~3年加倍,无论节点或链路的容量均无法赶上数据业务量的指数增长速度,只有光链路和光节点才可能有巨大的容量发展潜力。

(2)大幅度降低建网成本和运营维护成本。光传送联网可以简化网络层次和结构,减少网元数目和电/光转换设备的数目,从而也简化了网络管理和规划。特别是在传输链路上用少量光放大器代替了大量电中继器,在节点上用透明的光节点代替了不透明的电节点后,不仅可以大幅度降低全网的建设成本,而且也大幅度减少了网络维护运行、地产和电源成本。

(3)实现网络光层的可重构性。达到在波长级、波长组级和光纤级灵活重组网络的目的。特别是波长级的连接可以提供端到端的波长业务,进而支持大量新业务。

(4)实现网络对客户层信号的透明性:允许互联任何新老系统和不同格式的信号,不仅支持SDH信号,而且也可以直接支持IP、以太网、FR和ATM信号等。

(5)简化和加快高速电路的指配和业务供给速度。目前的高速电路的指配需要很长时间,例如从美国东海岸到西海岸指配一个2.5Gbit/s电路需要一个月左右。采用光层联网消除或减少了光电转换,简化和加快了高速电路的指配速度。

(6)实现快速网络恢复。目前电层的网络恢复时间高达几分钟,而OTN的恢复时间可以减少到100ms量级,对绝大多数业务基本没有损伤。

(7)同时实现业务层和光层的联网。避免了单纯IP层联网所带来的低效率,提高了网络资源的利用率,提供了灵活高效的组网能力和对付大物理层故障的快速恢复能力。

鉴于光传送联网具有上述潜在的巨大优势,发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研,特别是美国国防部预研局(DARPA)资助了一系列光联网项目。在欧洲和日本,也分别有类似的项目在进行。

综上所述,光传送联网已经成为继SDH电联网以后的又一次新的光通信发展高潮。OXC的商用化时间大约在2001年。建设一个最大透明的高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络不仅可以为未来的国家信息基础设施(NII)奠定一个坚实的物理基础,而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的战略意义。我国"八六三"高科技项目--中国高速信息示范网(CainoNet)已将OADM/OXC列为重点并正在奋力攻关过程之中,光联网的体制标准工作也已开始提到日程上来并被国家列为重点基础研究项目。

八、光网络的节点

目前,具有固定波长上下的OADM已经商用,具有软件可配置的OADM也即将商用,而OXC尚处于试验阶段,主要问题是尚未有性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的光交换矩阵,核心是光开关。从原理上讲,光开关有三类,电光开关,热光开关以及光机械开关。尽管光机械开关是最成熟的技术,性能优良,设计配置简单,成本较低,对环境要求不高,获得广泛的应用。但体积庞大,开关速度慢,可靠性不理想,矩阵规模小,不适于大规模OXC应用。而热光开关和电光开关速度较快,可达毫秒和亚毫秒级,结构紧凑,但插入损耗和串音大。从总趋势看,光开关正从光机械开关向热光开关和电光开关方向发展。随之其开关速度也从100ms减少到5ms乃至数百微妙量级,结构变得紧凑,开关矩阵规模得到扩大,但性能不够理想,矩阵规模仍不够大。近来,一种称为微电机开关(MEMS)的新型光开关已显示了巨大的发展前途,这是一种将自由空间互连与硅基单片集成技术相结合的新技术。这种机电一体化的开关器件结合了机械光开关和固体波导开关的特点,结构紧凑,集成度高,性能优良,矩阵规模大,便于批量生产,正成为实用化大型OXC的主要开关技术之一。美国朗讯公司采用MEMS技术实现了256x256的全光交叉连接器,称为波长路由器,可节约25%的运行费用和99%的能耗。美国Xros公司利用两个相对放置的各有1152个微镜的阵列实现了1152x1152的大型OXC,容量上和端口上都有重大突破,其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个量级。

当然,除了关键的光节点结构外,光层联网还需要解决稳定的高效恢复算法,超长全光传输以及与业务层的交互和协调等一系列技术问题后才能真正实用化。特别是近来,将MPLS应用于光层(MPLmS)实现一体化控制的思路正受到广泛的关注,这种方法可以使业务层上的路由器、ATM交换机或ADM动态地要求传送网提供所需的波长,实现统一的网络控制和快速业务供给,简化了IP层与光层的集成以及网络管理,降低了网络运行和业务拓展成本,消除了厂家专用的网络岛,有利于大规模网络敷设。IP层与光层的融合正展现了前所未有的前景。可以相信,随着业务加速向分组化的转移以及网络加速向下一代电信网的演进,实用化的光联网技术正开始浮现出地平线,一步一步地向我们走来,让我们在进一步完善电联网的基础上,开始准备从电联网走向光联网时代。